JP5423390B2

JP5423390B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子及びその製造方法

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Publication number: JP5423390B2
Application number: JP2009296505A
Authority: JP
Inventors: 俊也上村; 直棋荒添
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2009-12-26
Filing date: 2009-12-26
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-12-26
Also published as: CN102142361A; JP2011138839A

Description

本発明は、成長基板上にIII族窒化物系化合物半導体層を形成した後、最上層を導電性の支持基板に接合して、成長基板を除去することにより製造される半導体素子における絶縁性保護膜の密着性を改善した半導体素子及びその製造方法に関する。

従来、成長基板上にIII族窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させた後に、エピタキシャル成長層の最終成長層を、導電性の支持基板に接合して、成長基板を除去する製造方法が知られている。この成長基板には、サファイア基板などが用いれる。また、支持基板としては、銅などの金属、導電性のシリコン基板などが用いられている。成長基板をエピタキシャル成長層から除去させる方法としては、レーザリフトオフ法や、成長基板とエピタキシャル成長層との間にウエットエッチングが可能な犠牲層を設けて犠牲層をエッチングして成長基板を剥離させる方法や、成長基板自体をエッチングして除去する方法がある。

下記特許文献１、２、３に開示の技術は、上記の成長基板上に成長されたエピタキシャル成長層を支持基板に金属層で接合して、成長基板を除去する半導体素子の製造方法である。これらの製造方法においては、支持基板にエピタキシャル成長層を金属層で接合した後、成長基板を除去し、支持基板上のエピタキシャル成長層の最上層から素子分離のための溝が形成される。その溝が形成された後、エピタキシャル成長層の最上層の表面の周囲及び溝の側壁として露出したエピタキシャル成長層の側面を保護するために、絶縁性保護膜が形成される。

特表２００７−５３６７２５特開２００９−６５１８２特表２００５−５２２８７３

上記の特許文献１の技術では、支持基板を下に、エピタキシャル成長層を上にした状態で、エピタキシャル成長層の上面から、複数の金属の積層からなる金属層の最上層であるＮｉ／Ａｕなどから成るｐ型コンタクト金属が露出するまで、エッチングして、素子間分離溝が形成される。そして、その溝の側面に露出したエピタキシャル成長層の側面と溝の底面に露出したｐ型コンタクト金属の表面とに、絶縁性保護膜が形成される。また、特許文献２の技術では、エピタキシャル成長層と、その下のアルミニウムなどで形成されたコンタクト層（複数の金属層の積層の最上層）をエッチングして、その下の金又は銀などから成る金属反射層を露出して素子間分離溝を形成し、この金属反射層の上面とエピタキシャル成長層の側面とに、二酸化ケイ素などの絶縁性保護膜を形成している。また、特許文献３の技術では、エピタキシャル成長層と支持基板に該当する窒化チタンなどから成る金属支持層との間に存在するｐ−コンタクト層と、エピタキシャル成長層とをエッチングして素子間分離溝を形成し、露出した金属支持層の上面と、エピタキシャル成長層の側面とに絶縁性保護膜に該当する不活性層が形成されている。

上記の何れの従来技術においても、絶縁性保護膜は、素子間分離溝の側壁を形成するエピタキシャル成長層の側面と、素子間分離溝の底面に露出した金属層とに接合されている。ところが、この金属層と、絶縁性保護膜との密着性が悪く、絶縁性保護膜が剥離し、半導体素子を適正に保護できないという問題があった。

本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、金属層によりエピタキシャル成長層を支持基板に接合して、成長基板を除去した半導体素子において、素子の表面及び周囲を保護する絶縁性保護膜の素子に対する密着性を改善することにより、素子の信頼性を向上させることである。

本製造方法の発明は、結晶成長基板上に、III族窒化物系化合物半導体層から成るエピタキシャル成長層を結晶成長させ、エピタキシャル成長層の最終の成長層であるｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層から成る最終成長層を金属層により支持基板に接合し、結晶成長基板を除去して、エピタキシャル成長層の初期の成長層であるｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層から成る基底層を支持基板上のエピタキシャル成長層の最上層とした半導体素子の製造方法において、金属層の形成工程において、最終成長層の側から、窒素反応性を有する金属から成る第１層を形成し、第１層上に、塩素プラズマエッチングに対する耐性を有し、ウエットエッチング可能な金属から成る第２層を形成し、第２層上に、窒素反応性を有し、ウエットエッチングに対して耐性を有する金属から成る第３層を形成し、第３層上に、複数の金属の積層構造から成る第４層を形成し、半導体素子の基底層から第２層をエッチングストッパ層として、底面に、第２層の表面が露出するように塩素プラズマによりエッチングして、素子分離溝を形成し、素子分離溝の底面に露出した第２層をウェットエッチングにより除去して、第３層を素子分離溝の底面に露出させ、少なくとも素子分離溝に面するエピタキシャル成長層の側面と、素子分離溝の底面に位置する第３層の表面とを絶縁性保護膜により被覆し、第１層と第３層は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、又は、これらの金属のうちの２種以上の合金、から成る単層、又は、複層から成り、絶縁性保護膜は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、窒化チタンのうち少なくとも１つから成ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法である。

また、素子の発明は、結晶成長基板上に、結晶成長したIII族窒化物系化合物半導体層から成るエピタキシャル成長層を有し、エピタキシャル成長層の最終の成長層であるｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層から成る最終成長層が金属層により導電性の支持基板に接合され、結晶成長基板が除去されて、エピタキシャル成長層の初期の成長層であるｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層から成る基底層が支持基板上のエピタキシャル成長層の最上層となる半導体素子において、金属層は、最終成長層の側から、窒素反応性を有する金属から成る第１層と、塩素プラズマエッチングに対する耐性を有し、ウエットエッチングが可能な金属から成る第２層と、窒素反応性を有し、ウエットエッチングに対して耐性を有する金属から成る第３層と、複数の金属の積層構造から成る第４層とを有し、半導体素子の基底層から第３層の表面に至る素子分離溝と、少なくとも素子分離溝に面するエピタキシャル成長層の側面と、素子分離溝の底面に位置する第３層の表面とを被覆する絶縁性保護膜とを有し、第１層と第３層は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、又は、これらの金属のうちの２種以上の合金、から成る単層、又は、複層から成り、絶縁性保護膜は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、窒化チタンのうち少なくとも１つから成ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子である。

上記の方法発明及び素子発明の各構成要素に関する説明は、以下の通りである。結晶成長基板は、III族窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる基板であり、サファイア基板、ＳｉＣ、シリコン基板、その他、エピタキシャル成長が可能な、絶縁性基板や導電性基板を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層には、２元系のＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、３元系のＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）、Ｉｎ_xＡｌ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）、４元系のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）を用いることができる。また、これらのIII 族元素の一部が、他のIII 族元素に置換されていても良い。また、Ｎ元素の一部が他のＶ族元素に置換されていても良い。また、Ｓｉなどのｎ型ドーパント、Ｍｇなどのｐ型ドーパントが添加されていても良い。成長方法は、有機金属ガス気相成長法（ＭＯＣＶＤ）の他、ハライド気相成長法などを用いることができる。支持基板には、基板の裏面に電極を形成する場合には、導電性基板が用いられる。ｐ層に対する電極とｎ層に対する電極とを同一面側に形成する場合には、絶縁性基板であっても良い。その場合には、放熱性や熱伝導率の高い基板が望ましい。したがって、支持基板には、導電性シリコン基板などの導電性半導体基板、銅、アルミニウムなどの金属基板、熱伝導率が高いＡｌＮセラミック基板、人工ダイヤモンド基板などを用いることができる。

エピタキシャル成長層の最終成長層は、最後に成長させた半導体層であり、III族窒化物系化合物半導体層の場合には、通常は、ｐ型活性化の関係上、ｐ型層となる。ただし、ｐ型層に限定されない。また、基底層は、素子を構成する各層のベースになる層である。成長基板にサファイア基板を用いた場合には、ＡｌＮ、ＧａＮなどの低温形成バッファ層が形成された後に、そのバッファ層の上に、アンドープのＧａＮ層、ＳｉドープのＧａＮ層などを形成しているが、バッファ層を除く、エピタキシャル成長層のうちの最初に成長させる層を、基底層と定義している。III族窒化物系化合物半導体層の場合には、通常は、ｎ型層である。しかし、ｎ型層には限定されない。

金属層は、エピタキシャル成長層と支持基板とを接合させる複数の金属の積層から成る層である。金属層には、はんだなどの低融点合金層を含む。また、金属層には、エピタキシャル成長層の最終成長層に対するコンタクト電極、反射電極、これらの電極のエピタキシャル成長層に対する密着性を向上させる金属層、エレクトロマイグレーションを抑制する金属層、はんだなどの低融点金属のエピタキシャル成長層への拡散を防止するためのバリア金属層などが含まれる。

本発明は、エピタキシャル成長層の最終成長層の側から窒素反応性を有する金属から成る第１層、塩素プラズマエッチングに対する耐性を有する金属から成る第２層、窒素反応性を有する金属から成る第３層を設けたことが特徴である。窒素反応性を有する金属には、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、又は、これらの金属のうちの２種以上の合金を用いることができる。これらの金属は、ウエットエッチングに対して耐性を有する金属でもある。塩素プラズマエッチングに対して耐性を有する金属には、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、又は、これらの金属の合金を用いることができる。これらの金属は、ウエットエッチングが可能な金属でもある。第１層と第３層とは、同一金属で構成しても良いし、異なる金属としても良い。第１層と第３層にＴｉを用い、第２層にＮｉを用いることが最も望ましい。第４層は、Ａｕ、Ｐｔ、はんだなどの低融点金属など、第１層、第２層、第３層、以外の第３層と支持基板との間に存在する金属層として定義される。

素子分離溝は、各素子に分離するためにエピタキシャル成長層に形成される溝であり、さらに、この溝の幅の中において、支持基板が各素子毎に分離されて、素子片が形成される。素子の発明においては、各素子毎に分離されるので、素子分離溝の片側の側面と底面の半分が残される。したがって、素子の発明における素子分離溝は、製造段階で形成された素子分離溝の１／２の領域を、素子分離溝として定義する。即ち、素子周囲のエピタキシャル成長層が除去された部分を素子分離溝としている。絶縁性保護膜には、ＳｉＯ₂、窒化ケイ素、酸化チタン、窒化チタンなど、任意の絶縁性セラミック、誘電体を用いることができる。

また、第１層と第２層との総合の厚さは、絶縁性保護膜の厚さよりも薄くすることが望ましい。この条件を満たす場合には、絶縁性保護膜を形成する場合に、素子分離溝の側面と底面との交線の部分で、分離されることがなく、底面から側面に連続して、一様な厚さで、絶縁性保護膜を形成することができる。第１層、第２層ともに、１０００Å以下、５０Å以上が望ましい。第１層の厚さが、１０００Åを越えると、塩素プラズマによりエッチングを行う時に、第１層のエピタキシャル成長層の最終成長層の下方に位置する部分が面に平行な横方向に深くエッチング（サイドエッチング）されるので望ましくない。また、第１層が、５０Åより薄いと、エピタキシャル成長層の最終成長層に対する密着性が低下し、支持基板とエピタキシャル成長層との接着性が低下する。また、銀などで構成されたコンタクト電極や反射電極などを覆って第１層が形成されている場合には、コンタクト電極や反射電極の密着性が低下すると共に、銀などのマイグレーションの防止効果が低下するので望ましくない。また、第２層の厚さは、１０００Å以下、１００Å以上が望ましい。第２層の厚さが、１０００Åを越えると、第２層の成膜時間と、ウエットエッチングにより第２層を除去する時間が増大するので望ましくない。また、第２層が、１００Åより薄いと、エピタキシャル成長層を塩素プラズマによりエッチングして素子分離溝を形成する場合に、エッチングストッパ層としての機能が十分でなくなるため望ましくない。第３層の厚さは、３００Å以上、１μｍÅ以下が望ましい。３００Åより薄いと、絶縁性保護膜に対する密着性が低下し、また、ウエットエッチングに対する耐性が低下するので望ましくない。１μｍより厚いと、成膜に時間が係るので望ましくない。

本発明は、エピタキシャル成長層の最終成長層と支持基板との間に形成される金属層において、最終成長層に接合する第１層を、窒素反応性を有する金属で構成したので、III族窒化物系化合物半導体層に対する密着性が高く、素子の信頼性を向上させることができる。また、第２層を塩素プラズマエッチングに対する耐性を有する金属で構成したので、塩素プラズマエッチングによる素子分離溝を形成する場合に、エピタキシャル成長層と第１層とが除去されて、第２層の表面を露出させることができるので、加工精度が向上する。また、第２層は、ウエットエッチングが可能な層とし、第３層は、ウエットエッチングに対して耐性を有する層としているので、素子分離溝の底において、第３層の表面を正確に露出させることができる。この結果、絶縁性保護膜を、エピタキシャル成長層の最上層の表面の少なくとも周囲と、エピタキシャル成長層の側面と、第３層の上面に、被覆させることができる。この時、第３層が窒素反応性を有する金属で構成されているので、絶縁性保護膜の第３層の金属に対する密着性を向上させることができ、素子の信頼性を向上させることができる。

本発明に係る製造方法によって得られたIII族窒化物系化合物半導体素子（青色ＬＥＤ）の構成を示す断面図。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。本発明に係る製造方法の１工程を示す工程図（断面図）。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明の具体的な一実施例である製造方法により得られたIII族窒化物系化合物半導体素子（青色ＬＥＤ）１０００の構成を示す断面図である。図１のIII族窒化物系化合物半導体素子（青色ＬＥＤ）１０００は、ｐ型シリコン基板である導電性の支持基板２００の表面に、支持基板２００に近い方から、複数の金属の積層から成る第２導電層２２２、低融点合金層であるはんだ層（ソルダ層）５０、複数の金属の積層から成る第１導電層１２２、ｐコンタクト電極１２１、主としてｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層の単層又は複層であるｐ型層１２、発光層Ｌ、主としてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層の単層又は複層であるｎ型層１１、ｎコンタクト電極１３０の積層構造を有する。

請求項のエピタキシャル成長層は、ｐ型層１２、発光層Ｌ、ｎ型層１１で構成され、請求項のエピタキシャル成長層と支持基板との間に存在する金属層は、第１導電層１２２、はんだ層（ソルダ層）５０、第２導電層１２２及びｐコンタクト電極１２１である。第１導電層１２２の構成が、本発明の特徴部分である。また、基底層は、ｎ型層１１のうち、成長時における最下層（バッファ層を除く）に該当し、最終成長層は、成長時におけるｐ型層１２のうちの最上層に該当する。

図１の配置は、エピタキシャル成長、ｐコンタクト電極１２１、第１導電層１２２、はんだ層（ソルダ層）５０、第２導電層２２２の形成時の上下関係と、反対になっている。第１導電層１２２は、エピタキシャル成長層のｐ型層１２のうちの最終成長層に接合するＴｉから成る厚さ３００Åの第１層２１と、第１層に接合するＮｉから成る厚さ５００Åの第２層と、第２層に接合するＴｉから成る厚さ３５００Åの第３層とで形成されている。そして、第３層にＰｔから成る厚さ３０００ÅのＰｔ層２４が接合し、、そのＰｔ層２４に厚さ５００ÅのＡｕ層２５が接合している。そして、Ａｕ層２５が、はんだ層（ソルダ層）５０を介して、第２導電層２２２に接合されて、エピタキシャル成長層１０が支持基板２００に導電性の金属層を介して接続されている。請求項の第４層は、本実施例では、Ｐｔ層２４、Ａｕ層２５、はんだ層（ソルダ層）５０、第２導電層２２２で構成されている。

エピタキシャル成長層１０の外周側面１０ａは、素子分離溝４１の側壁を構成しており、素子分離溝４１の底面４１ａは、Ｔｉから成る第３層２３で構成されている。そして、素子分離溝４１の底面４１ａと、エピタキシャル成長層１０の外周側面１０ａと、ｎ型層１１の上面の外郭周辺部１０ｂとは、ＳｉＯ₂から成る厚さ３０００Åの絶縁性保護膜４０により被覆されている。絶縁性保護膜４０は、Ｔｉから成る第１層２１とＮｉから成る第２層２２の総合厚さ８００Åに対して、４倍程度厚いことになる。したがって、素子分離溝４１の側面に露出している第１層２１と第２層２２の側壁は、底面４１ａ上に堆積した絶縁性保護膜４０の側面により完全に被覆されることになる。この結果、素子分離溝４１の底面４１ａとエピタキシャル成長層１０の外周側面１０ａとの交線部分において、外周側面１０ａに堆積した絶縁性保護膜４０と、底面４１ａ上に堆積した絶縁性保護膜４０とが分離されて、絶縁性保護膜４０に隙間を生じ、エピタキシャル成長層１０、第１層２１、第２層２２が露出することが防止される。

エピタキシャル成長層１０の水平断面積は、ｐ型層１２の支持基板側２００側からｎ型層１１のｎコンタクト電極１３０側に向って徐々に減少する。このため、絶縁性保護膜４０で覆われたエピタキシャル成長層の外周側面１０ａは、ｎコンタクト電極１３０の形成された上側から、支持基板側２００側である下側に向って広がるような、傾き（順テーパ）を形成している。尚、ｎ型層１１には、光取り出し効率を向上させるために、微細な凹凸を有する表面１１ｓが形成されている。また、支持基板２００の裏面には、複数の金属の積層から成る第３導電層２３２、はんだ層（ソルダ層）２３５が形成されている。

本実施例においては、各層は次のように構成されている。
複数の金属の積層から成る第２導電層２２２は、支持基板２００側から、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）の順に積層されたものである。複数の金属の積層から成る第３導電層２３２は、支持基板２００側から、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）の順に積層されたものである。はんだ層（ソルダ層）５０と２３５は、いずれも金とスズとの合金（Ａｕ−Ｓｎ）から成るはんだで形成されている。ｐコンタクト電極１２１は、銀（Ａｇ）合金で形成されている。複数の金属の積層から成る第１導電層１２２は、ｐ型層１２及びｐコンタクト電極１２１に近い側から、第１層２１であるチタン（Ｔｉ）、第２層２２であるニッケル（Ｎｉ）、第３層２３であるチタン（Ｔｉ）、第４層の一部である白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）の順に積層されたものである。

上記第１導電層１２２、第２導電層２２２、第３導電層２３２において、ニッケル（Ｎｉ）層は、はんだ層（ソルダ層）５０又は２３５中のスズ（Ｓｎ）が適度にニッケル（Ｎｉ）層に拡散し、はんだ層（ソルダ層）５０と強固に接着させる層である。また、チタン（Ｔｉ）層は、導電層の接合面に対する密着性を向上させると共に、スズ（Ｓｎ）の拡散を防止するものである。また、Ｎｉから成る第２層２２は、素子分離溝４１を塩素プラズマでエッチングする時のエッチングストッパの働きもする。また、Ｔｉから成る第３層２３は、第２層２２のＮｉをウエットエッチングする場合に、エッチングストッパの働きもする。ｎコンタクト電極１３０は、タングステン（Ｗ）とチタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）の積層構造から成る。絶縁性保護膜４０は二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）から成る。

図１のIII族窒化物系化合物半導体素子（青色ＬＥＤ）１０００は、次のようにして製造された。この際の工程図（断面図）を図２．Ａ乃至図２．Ｐで示す。

エピタキシャル成長層１０の形成は、ＭＯＣＶＤ法を用いた。厚さ５００μｍのサファイアから成る結晶成長基板であるエピタキシャル成長基板１００にＡｌＮから成る低温バッファ層を形成し、そのバッファ層の上に、複数の層から成るｎ型層１１及び複数の層から成るｐ型層１２を順にエピタキシャル成長させて、エピタキシャル成長層１０とした（図２．Ａ）。発光層ＬはＭＱＷ構造で形成したが、図２．Ａでは単に太破線で示されている。

次に、レーザリフトオフ時の空気孔となる、第１の溝ｔｒ−１をダイサーにより形成した。第１の溝ｔｒ−１は、ｐ型層１２及びｎ型層１１の合計膜厚約４μｍと、エピタキシャル成長基板１００の深さ１０μｍ程度を除去することにより形成された。第１の溝ｔｒ−１の幅は約２０μｍとした（図２．Ｂ）。次に、スパッタ装置により、Ａｇ合金層を全面に形成し、レジストマスクを形成してＡｇ合金層の不要部分を除去して、発光領域に当たる部分にＡｇ合金層を形成した。次に、レジストマスクを除去し、その後、５５０℃で３分間、加熱して、Ａｇ合金とｐ型層１２の最終成長層とをアロイ化して、Ａｇ合金から成るｐコンタクト電極１２１を形成した（図２．Ｃ）。

次に、スパッタ装置により、全面に、Ｔｉを厚さ３００Åに成膜し、Ｎｉを厚さ５００Åに成膜し、Ｔｉを厚さ３５００Åに成膜して、図１に示す第１層２１、第２層２２、第３層２３を形成した。続いて、Ｐｔを厚さ３０００Åに成膜し図１に示すＰｔ層２４を形成し、次に、Ａｕを厚さ５００Åに成膜して図１に示すＡｕ層２５を形成した。図２．Ｄ〜図２．Ｐにおいては、この５層を合わせて第１導電層１２２で示している。これらの層は、スパッタ装置により形成したが、蒸着装置で形成しても良い。次に、第１導電層１２２のＡｕ層２５の上に、電子ビーム蒸着装置により、はんだ層１２５として、厚さ１．５μｍのＡｕＳｎ層（Ａｕが８０ｗｔ％、Ｓｎが２０ｗｔ％）と厚さ０．２μｍのＡｕＳｎ層（Ａｕが１０ｗｔ％、Ｓｎが９０ｗｔ％）と、厚さ１００ÅのＡｕ層を全面に形成した。Ａｕ層は、スズ（Ｓｎ）の酸化を防止するための薄膜である（図２．Ｄ）。

次に、厚さ５００μｍのｐ型の導電性シリコンから成る支持基板２００の上に、スパッタ装置により、厚さ２０００ÅにＴｉ、厚さ５００ÅにＰｔを成膜させた。次に、６００℃、１分間、熱処理して、Ｔｉと支持基板２００のＳｉとをアロイ化した。このように処理された支持基板２００の上に、スパッタ装置により、さらに、３０００Åの厚さにＴｉと、３０００Åの厚さにＰｔと、厚さ５００Åの厚さにＡｕを全面に成膜した。このようにして、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの各層から成る第２導電層２２２を形成した。次に、第２導電層２２２の上に、電子ビーム蒸着装置により、はんだ層２２５として、厚さ１．５μｍのＡｕＳｎ層（Ａｕが８０ｗｔ％、Ｓｎが２０ｗｔ％）と厚さ０．２μｍのＡｕＳｎ層（Ａｕが１０ｗｔ％、Ｓｎが９０ｗｔ％）と、厚さ１００ÅのＡｕ層を全面に形成した（図２．Ｅ）。Ａｕ層は、スズ（Ｓｎ）の酸化を防止するための薄膜である。

次に、上記エピタキシャル成長層１０を有するエピタキシャル成長基板１００と支持基板２００を、はんだ層（ソルダ層）１２５及び２２５を向かい合わせて接合する。はんだ層（ソルダ層）１２５及び２２５は、低融点合金層である。加熱温度は３２０℃、圧力は１９６ｋＰａ（約２気圧、２ｋｇｆ／ｃｍ²）とした（図２．Ｅ）。この時、はんだ層（ソルダ層）１２５とはんだ層（ソルダ層）２２５との接合において、それぞれのＡｕＳｎ層の間には、Ａｕ薄膜が２層、存在することになるが、そのＡｕは、ＡｕＳｎ層に吸収され、１つのＡｕＳｎ層となる。図２．Ｆ−２．Ｐにおいては、はんだ層（ソルダ層）１２５及び２２５が接合して、一体化された層を、単一のはんだ層（ソルダ層）５０として示されている。

次に、レーザリフトオフを行う。ｎ型層１１とエピタキシャル成長基板１００との界面１１ｓｆ付近にレーザ照射して、ｎ型層１１の薄膜状部分を分解する。この際、レーザ照射領域（ショットエリア）としては、５００μｍピッチに形成される正方形状のチップを１６個含む、１辺２ｍｍの正方形領域とした。図２．Ｆにおいて、ｎ型層１１とエピタキシャル成長基板１００との界面１１ｓｆ付近の薄膜状部分を全て分解し、エピタキシャル成長層１０からエピタキシャル成長基板１００を剥離させた（図２．Ｇ）。この剥離工程において、ｎ型層１１の分解により窒素ガスが発生しても、第１の溝ｔｒ−１はウエハ外部に連通しているので、窒素ガスは直ちに第１の溝ｔｒ−１を通じてウエハ外部に排出される。このため、レーザ照射によって、エピタキシャル成長層１０、エピタキシャル成長基板１００、支持基板２００及びそれらの間に形成された導電性の各層には小さな負荷しかかからない。したがって、これらの導電性の各層には、剥離や亀裂は全く生じなかったことが最終的に確かめられた。

次に、マスクを用いて、塩素プラズマによるドライエッチングにより、素子分離溝４１を形成した。素子分離溝４１は、第１の溝ｔｒ−１を含みその幅よりも広い幅を有して、エピタキシャル成長層１０のチップ外周部に形成される（図２．Ｈ）。この時使用されるエッチングマスクは、ＣＶＤにより成膜されたＳｉＯ₂膜を所定形状にしたものが用いられた。塩素プラズマによるエッチングにおいて、素子分離溝４１の底面４１ａに位置するＴｉから成る第１層２１は完全にエッチングされた。しかし、Ｎｉから成る第２層２２はエッチングされないか、エピタキシャル成長層１０やＴｉから成る第１層のエッチング速度に比べて、エッチング速度が極めて遅い。したがって、Ｎｉから成る第２層２２は、素子分離溝４１を塩素プラズマによるエッチングにより形成する場合のエッチングストッパ層として機能する。次に、ＳｉＯ₂マスクを除去した後に、膜硝酸によるウエットエッチングにより、Ｎｉから成る第２層２２をエッチングして、Ｔｉから成る第３層２３を露出させた。Ｔｉは硝酸によってはエッチングされないか、Ｎｉに比べてエッチング速度が極めて遅い。したがって、Ｎｉから成る第２層２２をエッチングで除去するに当たり、Ｔｉから成る第３層２３は硝酸によるウエットエッチングのエッチングストッパ層として機能する。

次に、絶縁性保護膜４０を形成するため、スパッタ装置によりＳｉＯ₂を全面に厚さ３０００Åに形成した（図２．Ｉ）。この際、ＳｉＯ₂から成る絶縁性保護膜４０は、第１の溝ｔｒ−１のはんだ層（ソルダ層）５０側の底部にも堆積する。次に、絶縁性保護膜４０のうち、素子分離溝４１の底面４１ａと、エピタキシャル成長層１０の外周側面１０ａと、ｎ型層１１の上面の外郭周辺部１０ｂ上の絶縁性保護膜４０を残して、他の部分をエッチングして除去した。これにより、ｎ型層１１の発光領域に該当する面１１ｆを露出させた（図２．Ｊ）。ｎ型層１１の面１１ｆはＮ極性面、即ち、（０００−１）面、−ｃ面であり、エッチングされやすい。そこで、ｎ型層１１表面を、ＴＭＡＨ溶液に浸漬した状態で６０℃で放置して、微細な凹凸面１１ｓを形成した（図２．Ｋ）。

次に、スパッタ装置によりＳｉＯ₂を全面に厚さ２０００Åに形成して、第２絶縁性保護膜４２を形成した（図２．Ｌ）。次に、ｎ型層１１の上面の第２絶縁性保護膜４２に、電極１３０を形成する領域に、エッチングにより窓を開けた。次に、ｎ型層１１の微細な凹凸面１１ｓにおいて、第２絶縁性保護膜４２の窓の部分に、シリコンを含む化合物ガスのプラズマ処理して擬似的なシリコンヘビードープ層を形成した。こののち、フッ素イオンを有する薬剤による処理を行わなかった。プラズマ条件は次の通りとした。導入ガスはＳｉＣｌ₄を用い、３０ｓｃｃｍの流量で導入した。プロセス内部の圧力は３Ｐａとした。プロセス内部の電界は、アンテナ電力を３００Ｗの１３．５６ＭＨｚの高周波とした。これとは別にｐ型シリコンから成る支持基板２００に高周波３００Ｗのバイアス電力を供給した。処理時間は６０秒とした。この処理は、ｎ型層１１とｎ電極１３０との間の接触抵抗を低減させるための処理である。ｎ型層１１の面１１ｆはＮ極性面のために、オーミック接触が得られ難い。また、ｎ型層１１とｎ電極１３０とのアロイ化は、はんだ層（ソルダ層）５０を有した状態で行われるため、このはんだ層５０の融点よりも低い温度、例えば、４００℃以下の温度でアロイする必要がある。この処理はｎ型層１１の面１１ｆの電子濃度を向上させることにより、１００℃以上、３５０℃以下の低温でアロイ化しても、低接触抵抗、オーミック接触に優れたｎ電極１３０を形成できるようにするためである。

次に、この窓以外の部分にレジストマスクを形成して、タングステン（Ｗ）を１０００Åの厚さ、チタン（Ｔｉ）を５００Åの厚さ、金（Ａｕ）を３μｍの厚さに堆積して、レジストマスクをリフトオフすることで、ｎ電極１３０を形成した（図２．Ｍ）。こののち、３００℃で１分間アニーリングして、ｎ型層１１とタングステン（Ｗ）とをアロイ化した。

次に、シリコンから成る支持基板２００の裏面を研磨して、厚さ１３０μｍまで薄肉化した（図２．Ｎ）。次に、スパッタ装置により、シリコンから成る支持基板２００の研磨した面にＰｔを７５０Åの厚さ、Ｔｉを３０００Åの厚さ、Ｐｔを３０００Åの厚さ、Ａｕを５００Åの厚さに成膜して、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層から成る第３導電層２３２を形成した。次に、電子ビーム蒸着装置により、はんだ層２３５として、厚さ１．５μｍのＡｕＳｎ層（Ａｕが８０ｗｔ％、Ｓｎが２０ｗｔ％）と厚さ０．２μｍのＡｕＳｎ層（Ａｕが１０ｗｔ％、Ｓｎが９０ｗｔ％）と、厚さ１００ÅのＡｕ層を全面に形成した（図２．Ｏ）。Ａｕ層は、スズ（Ｓｎ）の酸化を防止するための薄膜である。はんだ層（ソルダ層）２３５は、形成しなくても良い。次に、レーザを用いて支持基板２００を切断した（図２．Ｐ）。図２．ＰでＣで示した２本の破線の内側がレーザで分解及び溶融されて各素子が分離された。こうして図１のIII族窒化物系化合物半導体素子（青色ＬＥＤ）１０００を得た。

なお、上記III族窒化物系化合物半導体素子（青色ＬＥＤ）１０００において、図１におけるｎ型層１１の最上層、即ち、基底層は、ｎ型ＧａＮから成るコンタクト層で構成し、ｐ型層１２の図１の配置での最下層にある最終成長層は、ｐ型ＧａＮから成るコンタクト層で構成している。これらの層は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどのコンタクト層であっても良い。このこのようにして製造されたIII族窒化物系化合物半導体素子（青色ＬＥＤ）１０００では、エピタキシャル成長層１０の側面１０ａ、ｎ型層１１の上面、Ｔｉから成る第３層２３にＳｉＯ₂から成る絶縁性保護膜４０が接合している。この結果、ＳｉＯ₂とＴｉとは接合強度が強いので、絶縁保護膜４０の剥離が防止でき、水分、汚染原子などが、エピタキシャル成長層１０に外部から侵入することが防止され、素子の信頼性が向上する。

上記の実施例において、第１層２１は、Ｔｉで構成したが、Ｔｉの他、窒素反応性を有する金属を用いることができる。たとえば、第１層２１には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、又は、これらの金属のうちの２種以上の合金を用いることができる。また、第２層２２には、Ｎｉを用いたが、Ｎｉの他、塩素プラズマエッチングによる耐性があり、ウエットエッチングが可能な金属を用いることができる。たとえば、第２層２２には、Ｎｉ、Ｐｔ、又は、これらの金属の合金を用いることができる。また、第３層２３には、Ｔｉを用いたが、Ｔｉの他、窒素反応性を有し、第２層のウエットエッチングに対する耐性を有する金属を用いることができる。たとえば、第３層２３には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、又は、これらの金属のうちの２種以上の合金を用いることができる。

上記実施例において、絶縁性保護膜４０、第２絶縁性保護膜４２は、ＳｉＯ₂で形成したが、ＳｉＮ_xで形成しても良い。また、絶縁性保護膜４０をＳｉＯ₂として、第２絶縁性保護膜４２をＳｉＮ_xで形成しても良い。上記実施例において、第１層２１の厚さは３００Åとしたが、１０００Å以下、５０Å以上が望ましい。第２層２２の厚さは５００Åとしたが、１０００Å以下、１００Å以上が望ましい。第３層２３の厚さは３５００Åとしたが、３００Å以上、１μｍ以下の厚さが望ましい。エピタキシャル成長基板１００には、サファイア基板を用いたが、III族窒化物系化合物半導体を成長させる基板であれば、導電性基板、絶縁性基板など、任意の基板を用いることができる。また、支持基板２００には、シリコンドープのｎ型シリコン基板を用いたが、銅などの金属、ＡｌＮ、人工ダイヤモンドなどの熱伝導率の高いセラミックス、結晶を用いても良い。

また、上記実施例では、ｎ型層１１の面１１ｆに微細な凹凸面１１ｓを形成するのに、ＴＭＡＨ溶液を用いたが、濃度１ｍｏｌ／Ｌ（１Ｍ）の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨａｑ）を用いて良い。また、ｎ電極１３０には、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）をｎ型層１１側から積層した金属層を用いたが、ｎ型層１１に接触する最初に積層する金属には、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）又は鉄（Ｆｅ）を用いて、次に、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）を積層させた金属層を用いても良い。

本発明の方法及び構造は、発光素子などの電子素子の製法及び構造に用いることができ、素子の信頼性を向上するのに有効である。

１０００：III族窒化物系化合物半導体素子（青色ＬＥＤ）
１００：サファイア基板（エピタキシャル成長基板）
１１：ｎ型層
１１ｆ：ｎ型層１１のＮ極性面
１１ｓ：微細な凹凸を有する面
Ｌ：発光層
１２：ｐ型層
２１：第１層
２２：第２層
２３：第３層
１２１：ｐコンタクト電極
１２２：第１導電層
２２２：第２導電層
２３２：第３導電層
１２５、２２５、２３５、５０：はんだ層（ソルダ層）
１３０：ｎ電極
２００：シリコン基板（支持基板）
４０：絶縁性保護膜
４１：素子分離溝
４２：第２絶縁性保護膜

Claims

結晶成長基板上に、III族窒化物系化合物半導体層から成るエピタキシャル成長層を結晶成長させ、エピタキシャル成長層の最終の成長層であるｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層から成る最終成長層を金属層により支持基板に接合し、前記結晶成長基板を除去して、エピタキシャル成長層の初期の成長層であるｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層から成る基底層を前記支持基板上のエピタキシャル成長層の最上層とした半導体素子の製造方法において、
前記金属層の形成工程において、
前記最終成長層の側から、窒素反応性を有する金属から成る第１層を形成し、
前記第１層上に、塩素プラズマエッチングに対する耐性を有し、ウエットエッチング可能な金属から成る第２層を形成し、
前記第２層上に、窒素反応性を有し、ウエットエッチングに対して耐性を有する金属から成る第３層を形成し、
前記第３層上に、複数の金属の積層構造から成る第４層を形成し、
前記半導体素子の前記基底層から前記第２層をエッチングストッパ層として、底面に、前記第２層の表面が露出するように塩素プラズマによりエッチングして、素子分離溝を形成し、
前記素子分離溝の底面に露出した前記第２層をウェットエッチングにより除去して、前記第３層を前記素子分離溝の底面に露出させ、
少なくとも前記素子分離溝に面する前記エピタキシャル成長層の側面と、前記素子分離溝の底面に位置する前記第３層の表面とを絶縁性保護膜により被覆し、
前記第１層と前記第３層は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、又は、これらの金属のうちの２種以上の合金、から成る単層、又は、複層から成り、
前記絶縁性保護膜は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、窒化チタンのうち少なくとも１つから成る
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
前記第２層は、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、又は、これらの金属の合金、から成る単層、又は、複層から成ることを特徴とす請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
前記第１層と前記第２層との総合厚さは、前記絶縁性保護膜の厚さよりも薄くすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
前記第１層を形成する前に、前記最終成長層の上に、少なくともその最終成長層の周囲を除いて、光反射性のコンタクト電極を形成し、前記第１層はそのコンタクト電極を覆い、前記最終成長層の少なくとも周囲において、前記最終成長層と接合させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
結晶成長基板上に、結晶成長したIII族窒化物系化合物半導体層から成るエピタキシャル成長層を有し、エピタキシャル成長層の最終の成長層であるｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層から成る最終成長層が金属層により導電性の支持基板に接合され、前記結晶成長基板が除去されて、エピタキシャル成長層の初期の成長層であるｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層から成る基底層が前記支持基板上のエピタキシャル成長層の最上層となる半導体素子において、
前記金属層は、前記最終成長層の側から、窒素反応性を有する金属から成る第１層と、塩素プラズマエッチングに対する耐性を有し、ウエットエッチングが可能な金属から成る第２層と、窒素反応性を有し、ウエットエッチングに対して耐性を有する金属から成る第３層と、複数の金属の積層構造から成る第４層とを有し、
前記半導体素子の前記基底層から前記第３層の表面に至る素子分離溝と、
少なくとも前記素子分離溝に面する前記エピタキシャル成長層の側面と、前記素子分離溝の底面に位置する前記第３層の表面とを被覆する絶縁性保護膜と
を有し、
前記第１層と前記第３層は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、又は、これらの金属のうちの２種以上の合金、から成る単層、又は、複層から成り、
前記絶縁性保護膜は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、窒化チタンのうち少なくとも１つから成る
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
前記第２層は、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、又は、これらの金属の合金、から成る単層、又は、複層から成ることを特徴とする請求項５に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
前記第１層と前記第２層との総合厚さは、前記絶縁性保護膜の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
前記最終成長層の少なくとも周囲を除いて、前記最終成長層の上に形成された光反射性のコンタクト電極を有し、前記コンタクト電極は前記第１層により覆われ、前記第１層は、前記最終成長層の少なくとも周囲において、前記最終成長層と接合していることを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。